流域又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個(gè)公共的出水口排出而形成的一個(gè)集中的排水區(qū)域。

流域盆地、集水盆地或水流區(qū)域等可以用來(lái)描述流域。

分水嶺表征區(qū)域內(nèi)每個(gè)流域匯水區(qū)域的大小。整個(gè)流域的最低處是流域內(nèi)水流的出口，即出水口（或點(diǎn)）。

流域間的分界線即為分水嶺邊界。

描繪分水嶺或定義河流網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要按照一定的步驟進(jìn)行操作。

有些步驟是必需的，有的則屬于可選擇步驟，這取決于輸入數(shù)據(jù)的特征。

徑流特征獲取流程

１、流向計(jì)算方法

流向判定大都建立在3X3的DEM格網(wǎng)基礎(chǔ)上，有單流向法和多流向法之分。ArcGIS10的流向工具是用單流向法中的“D8”方法。

“D8”方法是假定單個(gè)柵格中的水流只能流入與之相鄰的8個(gè)柵格中，在3X3的DEM柵格上，計(jì)算中心柵格與各相鄰柵格的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格，該方向即為中心柵格的流向。

流向分析原理

水流流向編碼

2、原始DEM流向分析

步驟:

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)擊流向按鈕，彈出流向?qū)υ捒颉?/p>

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確定。

【流向】對(duì)話框

流向計(jì)算結(jié)果

3、洼地判定

一般在計(jì)算匯流累積量之前，要先對(duì)流向柵格進(jìn)行洼地判斷。因?yàn)橥莸貐^(qū)域是水流方向不合理的地方，可以通過(guò)水流方向來(lái)判斷哪些地方是洼地，然后再對(duì)洼地進(jìn)行填充。

利用水文分析工具中的【匯】工具來(lái)識(shí)別匯。匯的泡面圖如下：

填洼前后的匯泡面圖

洼地判定及填洼操作：

?提取洼地。

?計(jì)算洼地貢獻(xiàn)區(qū)域。

?計(jì)算洼地區(qū)域的最低高程。

?計(jì)算洼地區(qū)域的最高高程。

?計(jì)算洼地深度。

4、填充洼地

具體步驟：

1)在ArcToolbox中雙擊【Spatial Analyst 工具】→【水文分析】→【填洼】。

2)輸入【輸入表面柵格數(shù)據(jù)】（位于'...\chp14\Hydrology\data'),指定【輸出表面柵格】的保存路徑和名稱。

3)點(diǎn)擊確定按鈕。

5、無(wú)洼地DEM流向分析

DEM洼地被填充后即對(duì)無(wú)洼地DEM進(jìn)行流向分析。具體步操作驟如下：

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)擊流向按鈕，彈出流向?qū)υ捒颉?/p>

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確定。

填洼后無(wú)洼地DEM示意圖

無(wú)洼地DEM流向計(jì)算結(jié)果

水流長(zhǎng)度是指地面上一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)（終點(diǎn)）間的最大地面距離在水平面上的投影長(zhǎng)度。

計(jì)算水流長(zhǎng)度的具體操作步驟如下：

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)擊水流長(zhǎng)度按鈕，彈出水流長(zhǎng)度對(duì)話框。

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確定。（對(duì)測(cè)量方向不同的選擇，結(jié)果是不同的）

【水流長(zhǎng)度】對(duì)話框

DOWNSTREAM計(jì)算水流長(zhǎng)度結(jié)果

UPSTREAM計(jì)算水流長(zhǎng)度結(jié)果

匯流分析的主要目的是確定水流的路徑。

匯流分析的基本思想是以規(guī)則格網(wǎng)表示的DEM每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量，按照自然水流從高處流向低處的規(guī)律，根據(jù)區(qū)域的流向柵格計(jì)算每點(diǎn)所流過(guò)的水量值，便得到了區(qū)域的匯流柵格（匯流累積量）。

匯流分析的具體操作步驟如下：

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)流量按鈕，彈出流量對(duì)話框。

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確定。

【流量】對(duì)話框

流量計(jì)算結(jié)果

１、生成河網(wǎng)

河網(wǎng)即河流網(wǎng)絡(luò)，常用的河網(wǎng)提取方法是采用地表徑流漫流模型計(jì)算。

河網(wǎng)的生成是基于匯流累計(jì)矩陣的，可以利用ArcToolbox中的

Spatial Analyst工具進(jìn)行河網(wǎng)提取。在提取過(guò)程中一定要注意閾值的

設(shè)定，不同的閾值直接影響到提取的結(jié)果，閾值的設(shè)定一定要遵

循科學(xué)、合理的原則。

提取河網(wǎng)后，要對(duì)柵格河網(wǎng)進(jìn)行矢量化。

河流網(wǎng)絡(luò)提取結(jié)果

柵格河網(wǎng)矢量化

2、平滑河網(wǎng)

1）偽溝谷的刪除，由于基于DEM的河網(wǎng)提取采用最大坡度法，在平地區(qū)域（如谷底等）的水流方向是隨機(jī)的，易生成平行狀的河流等錯(cuò)誤形狀（偽溝谷）。就需要手工進(jìn)行刪除，另外研究區(qū)域邊緣很短的溝谷也需要?jiǎng)h除。

2）平滑處理河流網(wǎng)絡(luò)，操作流程如下：

加載編輯器工具條。

啟動(dòng)編輯器開(kāi)始編輯。

在工具條中加載高級(jí)編輯工具條。

在高級(jí)編輯工具條中單擊平滑按鈕，輸入允許最大偏移參數(shù)，點(diǎn)擊確定。

河流平滑結(jié)果

3、生成河流連接

河流連接計(jì)算是在水流方向數(shù)據(jù)和柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，具體操作如下：

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)擊河流連接，彈出河流連接對(duì)話框。

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確定。

?查看河流連接的屬性表。

河流連接對(duì)話框

河流連接屬性表

4、河網(wǎng)分級(jí)

河網(wǎng)分級(jí)是一種將級(jí)別數(shù)分配給河流網(wǎng)絡(luò)中的連接線的方法，此級(jí)別是一種根據(jù)支流數(shù)對(duì)河流類型進(jìn)行識(shí)別和分類的方法。僅需知道河流的級(jí)別，即可推斷出河流的某些特征。

河網(wǎng)分級(jí)方法分為Strahler法和Shreve法，這兩種方法始終將1級(jí)分配給上游河段。

兩種河網(wǎng)分級(jí)方法

利用ArcMap對(duì)所提取的河網(wǎng)分別用Strahler和Shreve河網(wǎng)分級(jí)方法進(jìn)行河網(wǎng)分級(jí)，結(jié)果如下：

Strahler分級(jí)結(jié)果

【河網(wǎng)分級(jí)】對(duì)話框

Shreve分級(jí)結(jié)果

1、盆域分析

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域，它通過(guò)分析水流方向數(shù)據(jù)確定所有相互連接并處于同一流域盆地的柵格。

盆域分析的操作步驟如下：

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)擊盆域分析，彈出盆域分析對(duì)話框。

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確定。

盆域分析對(duì)話框

盆域分析運(yùn)行結(jié)果

2、生成分水嶺

經(jīng)過(guò)上一步得到的流域盆地是一個(gè)比較大的流域盆地，在很多的水文分析中，還需要基于更小的流域單元進(jìn)行分析，這就需要進(jìn)行流域的分割。

生成分水嶺的操作步驟：

?啟動(dòng)ArcToolbox，展開(kāi)Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點(diǎn)擊分水嶺，彈出分水嶺對(duì)話框。

?加載相關(guān)數(shù)據(jù)，傾瀉點(diǎn)字段設(shè)置為VALUE，點(diǎn)擊確定。

【分水嶺】對(duì)話框

分水嶺計(jì)算結(jié)果

Arc Hydro Tools是一種水文時(shí)空序列數(shù)據(jù)模型。它是一種面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型，它將要素、空間單元、水文聯(lián)系等作為對(duì)象，表達(dá)流域系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，組織不同對(duì)象的屬性特征，實(shí)現(xiàn)最接近流域現(xiàn)實(shí)的表達(dá)，集成了流域要素狀態(tài)的時(shí)間序列，是一個(gè)時(shí)空地理數(shù)據(jù)模型。

利用Arc Hydro Tools進(jìn)行水系提取的過(guò)程如下：首先對(duì)DEM預(yù)處理，包括平滑處理和填洼處理，填洼方法采用的是先填平后墊高的方法，流向計(jì)算用的是'D8'方法；然后算出柵格的上游集水面積，提取水系。

Arc Hydro Tools基本工具條如下圖：

Arc Hydro Tools工具條

在水系提取時(shí)，常用到地形處理、流域處理和網(wǎng)絡(luò)工具等工具。

基本的水文分析主要包括流向分析、匯流分析、流域分析等，這些分析可以從DEM數(shù)據(jù)中提取出流域的基本特征參數(shù)。水文分析在城市、區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

旨在熟練掌握利用Arc Hydro Tools進(jìn)行水文分析的一般流程。通過(guò)操作比較Arc Hydro Tools與ArcGIS10水文分析工具的異同。

數(shù)據(jù)來(lái)源于本書(shū)隨書(shū)攜帶的光盤(pán)。

1）計(jì)算實(shí)驗(yàn)區(qū)DEM的水流方向、匯流累積量，定義水流，進(jìn)行水流分割，劃定集水多邊形，處理集水多邊形、排水路線、伴隨集水區(qū)和排水點(diǎn)，并創(chuàng)建集水柵格。

2）根據(jù)任意給定的興趣點(diǎn)進(jìn)行流域和子流域的劃分，并追蹤水流路徑。

1、設(shè)置目標(biāo)路徑

2、地形預(yù)處理

1）DEM校正

【DEM校正】對(duì)話框

AgreeDEM和原始DEM剖面圖比較

2）填洼

【填洼】對(duì)話框

填洼結(jié)果

3) 計(jì)算流向

【流向】對(duì)話框

流向計(jì)算結(jié)果屬性表

4) 匯流累積量

【流量】對(duì)話框

流量計(jì)算結(jié)果

5) 定義水流

【定義水流】對(duì)話框

水流定義運(yùn)行結(jié)果

6) 水流分割

【水流分割】對(duì)話框

水流分割結(jié)果屬性表

7) 流域柵格劃定

【流域柵格劃定】對(duì)話框

流域柵格劃定運(yùn)行結(jié)果

8) 集水多邊形處理

【集水多邊形處理】對(duì)話框

集水多邊形處理運(yùn)行結(jié)果

9) 排水路線處理

【排水路線處理】對(duì)話框

排水路線處理運(yùn)行結(jié)果

10) 伴隨集水處理

【伴隨集水處理】對(duì)話框

伴隨集水處理運(yùn)行結(jié)果

11) 排水點(diǎn)處理

【排水點(diǎn)處理】對(duì)話框

排水點(diǎn)處理運(yùn)行結(jié)果

3、流域分析

1) 批量流域劃分

確定出水口

【批量點(diǎn)生成】對(duì)話框

【批量流域劃分】對(duì)話框

批量流域劃分運(yùn)行結(jié)果

2) 點(diǎn)劃分

選擇興趣點(diǎn)

【捕捉點(diǎn)】對(duì)話框

【點(diǎn)劃分】對(duì)話框

點(diǎn)劃分運(yùn)行結(jié)果

3) 批量劃分子流域

Batch Point屬性表

【批量劃分子流域】對(duì)話框

4) 水流路徑跟蹤

批量劃分子流域運(yùn)行結(jié)果

水流路徑跟蹤運(yùn)行結(jié)果

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